Cresce e studia a Cava de’ Tirreni e arriva a Roma a 18 anni ospite di un amico. Lì conosce il capo carismatico di una famosa comune hippy di Terrasini di cui si innamora e con cui si trasferisce per alcuni mesi, dopo i quali torna a Roma ospite di Teresa Ann Savoy, una sua amica attrice.
Nel frattempo incontra Alessandro Haber, che la spinge a diventare attrice portando delle foto che le aveva fatto un agente: nel giro di tre giorni le fanno fare tre provini – due per il teatro e uno per la televisione – e ottiene la parte in ciascuno.
Sceglie la televisione e viene scritturata per lo sceneggiato Rai Una donna (1977), tratto dal romanzo di Sibilla Aleramo, mentre l’anno successivo il suo non ancora compagno Elio Petri le affida una parte nello sceneggiato tv Le mani sporche da Jean-Paul Sartre, insieme a Marcello Mastroianni.
Al cinema ha raggiunto il successo con tre film del 1983: Sciopèn di Luciano Odorisio, Scusate il ritardo di Massimo Troisi e Io, Chiara e lo Scuro di Maurizio Ponzi, che le vale il David di Donatello e il Nastro d’argento e del quale interpreta anche il seguito, Casablanca, Casablanca (1985), di Francesco Nuti, anche protagonista di questi ultimi due titoli. Con Ponzi invece tornerà a lavorare in Italian (1996), Besame Mucho (1999) e A luci spente (2004).
Nel 1987 era stata scelta come protagonista del film Opera di Dario Argento, ma all’ultimo fu sostituita da Cristina Marsillach.
Successivamente ha interpretato sia film drammatici, come Cento giorni a Palermo (1984) di Giuseppe Ferrara; Cattiva (1991) di Carlo Lizzani (con cui vince il suo secondo David di Donatello); Con rabbia e con amore (1997) di Alfredo Angeli, che pellicole divertenti tra cui I picari (1987) di Mario Monicelli; La vera vita di Antonio H. (1994) di Enzo Monteleone; W la scimmia (2002) di Marco Colli.
Negli anni 2000 è poi tornata a recitare con successo in tv: Gli amici di Gesù – Maria Maddalena (2000), Il bello delle donne dove è stata protagonista per tutte le tre serie (2001-2002-2003), Caterina e le sue figlie 2 (2007), Mogli a pezzi (2008).
Interprete di successo anche sul palcoscenico, nelle ultime stagioni teatrali è stata protagonista di Notturno di donna con ospiti, un testo di Annibale Ruccello per la regia di Enrico Maria Lamanna, dove l’attrice veste i panni di una donna in preda alla pazzia; mentre dal 2007 è l’indiscussa protagonista de Il laureato, testo teatrale tratto dal famoso film di Mike Nichols, nel ruolo della Signora Robinson, reso celebre sul grande schermo da Anne Bancroft.
Il 15 dicembre 2011 è ricoverata d’urgenza a Lamezia Terme (durante la tournée dello spettacolo La Lampadina Galleggiante) in seguito a dolori al torace, e le viene diagnosticata erroneamente una pleurite con doppia polmonite. Dimessa alcuni giorni dopo e ritornata a Roma, la sera del 31 dicembre le sue condizioni peggiorano: viene colpita da un’embolia polmonare e una trombosi venosa profonda alla gamba sinistra. Il 6 gennaio 2012 tramite Facebook annuncia di essere fuori pericolo. Dopo un periodo di riabilitazione l’attrice torna in salute.
Dall’11 settembre 2012, torna nella fiction L’onore e il rispetto – Parte Terza, con Gabriel Garko, nel ruolo della mafiosa siciliana Tripolina. Il ritorno sulle scene è segnato da Rodolfo Valentino – La leggenda, in cui interpreta il ruolo dell’attrice hollywoodiana Alla Nazimova.
Successivamente gira un’altra fiction per Mediaset dal titolo Furore – Il vento della speranza, dove interpreta una sindacalista siciliana negli anni sessanta.
Dopo il successo della sua opera teatrale Notturno di donna con ospiti, torna sul set della fiction di Mediaset Il bello delle donne, ribattezzata Il bello delle donne… alcuni anni dopo, dove dovrà di nuovo interpretare la feroce Annalisa Bottelli: la messa in onda è prevista per l’autunno 2016.
Sempre nel 2016 Giuliana De Sio farà parte del cast della nuova fiction per Mediaset dal titolo House Husbands, diretta dai registi Francesco Pavolini e Vincenzo Terracciano.
- San Pasquale Baylonne protettore delle donne, regia di Luigi Filippo D’Amico (1976)
- Rue du Pied de Gruepp, regia di Jean-Jacques Grand-Jouan (1979)
- Il malato immaginario, regia di Tonino Cervi (1979)
- Io, Chiara e lo Scuro, regia di Maurizio Ponzi (1982)
- Sciopèn, regia di Luciano Odorisio (1982)
- Scusate il ritardo, regia di Massimo Troisi (1983)
- Uno scandalo perbene, regia di Pasquale Festa Campanile (1984)
- Cento giorni a Palermo, regia di Giuseppe Ferrara (1984)
- Casablanca, Casablanca, regia di Francesco Nuti (1985)
- Speriamo che sia femmina, regia di Mario Monicelli (1986)
- Ti presento un’amica, regia di Francesco Massaro (1987)
- Se lo scopre Gargiulo, regia di Elvio Porta (1988)
- I picari, regia di Mario Monicelli (1988)
- Feu sur le candidat, regia di Agnès Delarive (1990)
- Cattiva, regia di Carlo Lizzani (1991)
- Per non dimenticare, regia di Massimo Martelli (1992)
- Donne sottotetto, regia di Roberto Giannarelli (1992)
- La vera vita di Antonio H., regia di Enzo Monteleone (1994)
- Italiani, regia di Maurizio Ponzi (1996)
- Con rabbia e con amore, regia di Alfredo Angeli (1997)
- Alexandria Hotel, regia di Andrea Barzini e James Merendino (1998)
- Besame mucho, regia di Maurizio Ponzi (1999)
- Viva la scimmia, regia di Marco Colli (2002)
- Ti voglio bene Eugenio, regia di Francisco Josè Fernandez (2002)
- A luci spente, regia di Maurizio Ponzi (2004)
- Vorrei vederti ballare, regia di Nicola Deorsola (2012)
- Il console italiano, regia di Antonio Falduto (2012)
- Ci vediamo a casa, regia di Maurizio Ponzi (2012)
- La verità, vi spiego, sull’amore, regia di Max Croci (2016)
- Una donna, regia di Gianni Bongioanni (1977)
- Le mani sporche, regia di Elio Petri (1978)
- Hedda Gabler, regia di Maurizio Ponzi (1979)
- Ritratto di donna distesa, regia di Fiorella Infascelli (1980)
- La Medea di Porta Medina, regia di Piero Schivazappa (1981)
- Dramma d’amore, regia di Luigi Perelli (1983)
- Cuore, regia di Luigi Comencini (1984)
- La piovra 3, regia di Luigi Perelli (1987)
- Wolff – Un poliziotto a Berlino – episodio Episodi di Wolff, un poliziotto a Berlino (seconda stagione) Die Wölfin, regia di Michael Lähn (1993)
- Angelo nero, regia di Roberto Rocco – film TV (1998)
- Der Kapitän – episodio Kein Hafen für die Anastasia, regia di Sabine Landgraeber (2000)
- Maria Maddalena, regia di Raffaele Mertes (2000)
- Il bello delle donne, regia di Maurizio Ponzi (2000)
- Il bello delle donne 2, regia di Maurizio Ponzi (2001)
- Il bello delle donne 3, regia di Maurizio Ponzi (2003)
- La notte breve, regia di Camilla Costanzo e Alessio Cremonini (2006)
- Caterina e le sue figlie 2 – regia di Luigi Parisi (2007)
- Crimini – episodio Il bambino e la befana, regia dei Manetti Bros (2007)
- Mogli a pezzi, regia di Alessandro Benvenuti e Vincenzo Terracciano (2008)
- Caterina e le sue figlie 3 – regia di Luigi Parisi (2010)
- Non si arriva a fine mese, regia di Maurizio Ponzi (2010)
- Il peccato e la vergogna, regia di Alessio Inturri e Luigi Parisi (2010)
- Non smettere di sognare, regia di Roberto Burchielli (2011)
- L’onore e il rispetto – Parte terza, regia di Luigi Parisi e Alessio Inturri (2012)
- Rodolfo Valentino – La leggenda, regia di Alessio Inturri (2014)
- Furore – Il vento della speranza, regia di Alessio Inturri (2014)
- Buon Lavoro regia di Marco Demurtas (2015)
- Il bello delle donne… alcuni anni dopo, regia di Eros Puglielli (2016)
- House Husbands, regia di Francesco Pavolini, Vincenzo Terracciano (2016)
- Scene di caccia in bassa baviera, regia di Walter Pagliaro
- Un sorso di terra, di Heinrich Boll, con Roberto Herlitzka
- La doppia incostanza di Marivaux, regia di Andreè Ruth Shammah, Teatro Pierlombardo Milano
- Crimini del cuore, regia di Nanny Loy
- Libero, testo di Renato Sarti. Andato in scena al Piccolo Teatro di Milano con la regia di Giorgio Strehler (Stagione 1988/89)
- Storia d’amore e d’anarchia, regia di Lina Wertmüller (2002)
- Il Laureato, regia di Teodoro Cassano (2007/2009)
- Notturno di donna con ospiti, regia di Enrico Maria Lamanna (1996 al 2003)
- La Lampadina galleggiante, regia di Armando Pugliese (2011)
- Notturno di donna con ospiti, regia di Enrico Maria Lamanna (2014)
- Notturno di donna con ospiti, regia di Enrico Maria Lamanna (2015-2016)